CN112625754A - 有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉及气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉及气化方法，所述气化炉包括进料装置、反应区炉体、炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口、炉底气化剂进气口、煤气出气口和排渣装置，反应区炉体包括炉壁和炉腔，炉腔中段设有套筒，套筒与炉壁之间形成有环形空腔，套筒上部为上宽下窄结构且套筒的上端止抵于炉壁，煤气出气口设在炉壁的中部且位于环形空腔所在的区域内，排渣装置设置在水中且包括灰盘、碎渣圈、炉篦支撑件和第一灰刀。该气化炉可应用于各类含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及固废处理处置与资源化领域，具体而言，本发明涉及有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉及气化方法。
背景技术
目前国内具有较高热值或处理后有较高热值的有机固废常采用热化学转化的方式进行处理，通过热化学转化的方式能够实现有机固废的减量化、资源化和无害化。主要的热化学转化方式有焚烧、热解和气化，焚烧是指通入过量的空气让有机固废在高温下完全氧化成烟气和不可燃固体产物灰渣及飞灰，把高温烟气中的热能转化成电能进行利用，有机固废中含有的氮、硫、氯元素在完全氧化气氛下会转化为氮氧化物、硫氧化物、氯化氢等污染性气体；同时重金属在高温氧化气氛下会发生迁移部分进入烟气中。热解采用外加热的方式使固废中的有机组分裂解生成热解气、热解油和热解炭，由于有机固废组份复杂，大量氮、硫、氯、氧元素转移至热解油中，使热解油品质较低而难以经济利用；同时有机固废原料中灰分会富集在热解炭中。
目前有机固废气化炉主要为料层中煤气与料层同方向移动的顺流式气化炉和料层中煤气与料层反方向移动的逆流式气化炉，顺流式气化炉中，物料和气化剂同时从上端进入炉体，可燃气从下端导出炉体，这种气化装置存在固相炉渣含碳量过高的问题；逆流式气化炉中，物料从上端进入炉体，气化剂从下端进入炉体，可燃气从上端导出炉体，逆流式气化装置存在焦油含量高、进料口煤气泄漏的问题。
目前国内有机固废常用的气化炉采用负压状态来实现炉内燃气的排出和炉内反应条件的控制，可能会导致装置的可燃气中混入空气从而达到爆炸条件产生安全隐患，同时负压状态难以提升气体参与的一系列气化反应的反应速率从而限制气化炉处理量。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉及气化方法。该有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉。根据本发明的实施例，该有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉包括：
进料装置；
反应区炉体，所述反应区炉体设在所述进料装置下方，所述反应区炉体包括炉壁和炉腔，所述炉腔上段设有布料装置、中段设有套筒、底部设有炉篦，所述套筒与所述炉壁之间形成有环形空腔，所述套筒上部为上宽下窄结构且所述套筒的上端止抵于所述炉壁；
炉顶气化剂进气口，所述炉顶气化剂进气口设在所述炉壁的上部和/或顶部上，所述炉顶气化剂进气口延伸至所述炉腔内；
中段气化剂进气口，所述中段气化剂进气口设在所述炉壁的中部且高于所述套筒所在区域布置，所述中段气化剂进气口延伸至所述炉腔内；
炉底气化剂进气口，所述炉底气化剂进气口设在所述炉壁的下部且位于所述炉篦的下方，所述炉底气化剂进气口延伸至所述炉腔内并与所述炉篦的下部连通；
煤气出气口，所述煤气出气口设在所述炉壁的中部且位于所述环形空腔所在的区域内，所述煤气出气口与所述环形空腔连通；
排渣装置，所述排渣装置设置在水中且位于所述反应区炉体的下方，所述排渣装置包括灰盘、碎渣圈、炉篦支撑件和第一灰刀，所述灰盘设置在所述炉篦的下方，所述碎渣圈呈环状且套设在灰盘水封内，且碎渣圈与上部炉体夹套焊接在一起，所述炉篦支撑件设置在所述炉篦的下方且位于所述碎渣圈内，所述大灰刀呈犁刀形设置所述灰盘的内侧壁上
根据本发明上述实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，1)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口的设置，可实现气化剂多级供应，进而可通过精准稳定的多级氧化实现氧化层的稳定控制，使燃气中的焦油充分裂解，从而既提高了获得的煤气的品质，又保证了灰渣较低的含碳量；2)可通过调节不同位置气化剂的供应量、中段气化剂进气口的位置来应对不同挥发份含量和固定碳含量的含碳有机固体的气化需求；3)炉壁与套筒之间形成的环形空腔能够实现燃气内颗粒物的沉降，从而有效降低颗粒物含量，同时环形空腔区域具有较高热量，煤气出气口燃气温度较高，更适合进行二次燃烧；4)上段顺流和下段逆流的气体流动方式能够避免传统逆流式气化炉顶部进料口燃气泄漏造成的环境污染；5)灰盘与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。由此，该有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述排渣装置还包括第二灰刀和破渣块，所述第二灰刀设置在所述炉篦支撑件的底部，所述破渣块设置在所述炉篦支撑件的侧壁上。
在本发明的一些实施例中，还包括气化剂分布调节器，所述气化剂分布调节器可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口的出口端，且位于所述炉篦内。由此，气化剂分布调节器能够更好地适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气。
在本发明的一些实施例中，所述炉壁外侧为膜式水冷壁或夹套水冷壁。由此，通过膜式水冷壁降低炉体向外辐射热量同时有效避免炉内因为高温产生的结渣现象，还能使煤气出气口燃气温度降低，同时较传统采用水夹套的方式可以有效避免鼓包造成的夹套爆炸的安全问题。
在本发明的一些实施例中，所述炉顶气化剂进气口为多个，多个所述炉顶气化剂进气口在所述炉壁的上部和/或所述炉壁的顶部上均匀布置。
在本发明的一些实施例中，所述中段气化剂进气口为多个，多个所述中段气化剂进气口沿所述炉壁的周向均匀水平布置。
在本发明的一些实施例中，所述煤气出气口为多个，多个所述煤气出气口沿所述炉壁的周向均匀水平布置。
在本发明的一些实施例中，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口、进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀、惰性气体吹扫进气口，所述进料缓冲仓的侧部设有进料缓冲仓充泄压口。由此，惰性气体吹扫进气口、进料缓冲仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性。
在本发明的一些实施例中，所述套筒的高度与所述反应区炉体内径的比值为(0.2～0.6)：1。
在本发明的一些实施例中，所述环形空腔的最大厚度与所述反应区炉体内径的比值为(0.1～0.3)：1。
在本发明的一些实施例中，所述套筒上端距离所述进料缓冲仓下阀的高度为所述反应区炉体总高度的比值为(0.4～0.8)：1。
在本发明的一些实施例中，所述套筒下端距离所述炉篦顶部的高度为所述反应区炉体高度的比值为(0.2～0.6)：1。
在本发明的一些实施例中，所述反应区炉体的内径为0.3～8m。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉进行气化的方法。根据本发明的实施例，该有机固废气化方法包括：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体；
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层；
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，使所述可燃气通过套筒与炉壁之间的环形空腔排出所述反应区炉体；
(4)将所述灰渣排至灰盘内，通过炉篦支撑件与碎渣圈的挤压以及炉篦支撑件旋转将所述灰渣破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。
由此，该有机固废气化方法可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
另外，根据本发明上述实施例的有机固废气化方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述反应区炉体内存在压力，压力范围为0～20.0kPa。由此，通过控制炉内维持正压状态避免负压运行过程中的安全隐患，同时炉内为正压反应条件时，较负压状态相比气化反应速率更快，气化炉处理量更大。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧(氧气浓度21v％～100v％)中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3，由此，可以使不同灰熔点的物料气化温度维持在灰渣的软化点温度以下，防止灰渣结渣影响气化炉正常运行。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃，由此，可以使空气带入适量的水蒸汽进入气化炉的氧化还原层发生碳与水蒸汽的水煤气反应，生成一氧化碳和氢气。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3。由此，可以使二氧化碳和碳发生还原反应生成一氧化碳，并吸收反应层热量，使反应层温度维持在合理范围内，保持煤气品质及灰渣不结渣。
在本发明的一些实施例中，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％。由此，通过控制气化炉各进气口的进气量在上述范围内，可以使上氧化层中产生焦油的挥发分直接被气化剂中的氧气氧化成煤气，避免焦油的产生，同时下氧化层中的碳被气化剂中的氧气氧化生成煤气。
在本发明的一些实施例中，所述干燥层的温度为20～200℃，所述干馏层的温度为200～600℃，所述上氧化层的温度为600～1200℃，所述还原层的温度为600～1100℃，所述下氧化层的温度为600～1100℃，所述灰渣层的温度为200～600℃。由此，通过控制气化炉中各反应区域的温度在上述范围内，可以使氧化层反应层维持合理的反应温度，保证煤气品质，同时使灰渣反应温度低于软化点，不发生结渣。
另外，需要说明的是，本发明中针对有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉所描述的全部特征和优点，同样适用于该有机固废气化方法，在此不再一一赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的排渣装置的主视图。
图3是根据本发明实施例的排渣装置的俯视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，参考附图1，所述气化炉包括进料装置、反应区炉体、炉顶气化剂进气口6、中段气化剂进气口16、炉底气化剂进气口14、煤气出气口10和排渣装置。下面进一步对根据本发明实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉进行详细描述。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口1、进料缓冲仓上阀2、进料缓冲仓3、进料缓冲仓下阀4、惰性气体吹扫进气口17，具体地，进料口1为上宽下窄的圆锥形进料口，下部焊接有圆形法兰。所述进料口1下部为进料缓冲仓上阀2，通过法兰进行连接，所述进料缓冲仓上阀2下部炉体为进料缓冲仓3，所述进料缓冲仓3下部为进料缓冲仓下阀4，进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀之间通过法兰连接，所述进料缓冲仓3是上下窄中间宽的圆柱形结构，所述进料缓冲仓侧边设有进料缓冲仓充泄压口5，进料缓冲仓充泄压口水平布置。由此，惰性气体吹扫进气口、进料缓冲仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性。
根据本发明的实施例，参考附图1，反应区炉体，反应区炉体设在进料装置下方，反应区炉体包括炉壁9和由炉壁形成的炉腔18，炉腔18上段设有布料装置7、中段设有套筒8、底部设有炉篦12，套筒8与炉壁9之间形成有环形空腔19，套筒8上部为上宽下窄结构且套筒8的上端止抵于炉壁9。炉顶气化剂进气口6设在炉壁9的上部和/或顶部上，并延伸至炉腔18内；中段气化剂进气口16设在炉壁9的中部且高于套筒8所在区域布置，并延伸至炉腔18内；炉底气化剂进气口14设在炉壁9的下部且位于炉篦12的下方，例如可以设在炉壁9的底壁上或侧壁下端，炉底气化剂进气口14可延伸至炉腔18内并与炉篦12的下部连通。煤气出气口10设在炉壁9的中部且位于环形空腔19所在的区域内。由此，不仅可以实现气化剂的多级供应，还可通过精准稳定的多级氧化实现双氧化层的稳定控制，使燃气中的焦油充分裂解，从而提高获得的煤气品质并降低炉渣含碳量；另外，还可通过调节不同位置气化剂的供应量、中段气化剂进气口的位置来应对不同挥发份含量和固定碳含量的含碳有机固体的气化需求；炉壁与套筒之间形成的环形空腔能够实现燃气(即煤气)内颗粒物的沉降，从而有效降低燃气产品中颗粒物的含量，同时因环形空腔内不存在碳层高温反应，燃气经环形空腔导出时还可以达到降温的效果；上段顺流和下段逆流的气体流动方式因气化炉两段为气化剂，故能够避免顶部进料口燃气泄漏，这是传统气化炉不具有的优势；再者，套筒上部为上宽下窄结构且套筒上端止抵于炉壁的结构不仅便于套筒和炉壁的相对固定，还可以在环形空腔顶部形成密封结构，从而可以更好的实现燃气与颗粒物的分离，避免燃气输出携带过多的颗粒物；优选地，可在套筒及套筒上部区域的炉壁外侧形成水冷壁结构，由此不仅更有利于干馏半焦沿套筒内壁下落，避免出现因炉壁高温而导致部分有机固废在炉壁上结焦挂焦的现象，还能使燃气在通过环形空腔内向外导出的过程中达到更好的降温效果。本发明中的套筒式双氧化层固定床气化炉可适用于焦油含量高的有机固废处理。
根据本发明的实施例，可以利用炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向反应区炉体供给气化剂，将反应区炉体由上至下分为干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层，使有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，可燃气通过套筒与炉壁之间的环形空腔排出反应区炉体，其中，可燃气可以为煤气。另外，通过各级气化剂进气量的控制，可以使干燥层、干馏层、上氧化层位于套筒上方，使下氧化层和灰渣层位于套筒下方，使整个套筒区域均处于还原层内。
进一步地，炉顶气化剂进气口包括多个，多个炉顶气化剂进气口6可以在炉壁9侧壁的上部和/或炉壁9的顶部上均匀布置。由此，可实现炉体顶部的均匀布风。
进一步地，可以包括一个或多个中段气化剂进气口16，多个中段气化剂进气口16可以沿炉壁9的周向均匀、水平布置，其中中段气化剂进气口可以用于调控上氧化层位置，避免出现上氧化层过高或者过低问题，优选使上氧化层位于套筒所在区域。
进一步地，可以包括一个或多个煤气出气口10，考虑到煤气出气口较多时会导致气化炉的结构更加复杂，可以优选设置一个煤气出气口；为避免炉型结构过于复杂，当设置多个煤气出气口时，可优选煤气出气口的个数为2或3，此时可使多个煤气出气口10沿炉壁9的周向均匀、水平布置，由此能够有效实现均匀出气，避免单侧出气口造成的炉层反应不均匀问题。
进一步地，套筒8上端距离进料缓冲仓下阀4的高度与反应区炉体总高度的比值可以为(0.4～0.8)：1，套筒8下端距离炉篦12顶部的高度与反应区炉体总高度的比值可以为(0.2～0.6)：1，套筒8的高度与反应区炉体内径的比值可以为(0.2～0.6)：1。由此，不仅可以保证套筒与炉壁之间形成的环形空腔具有足够的高度，从而进一步有利于对可燃气产品进行降温，并给可燃气中的颗粒物提供了充足的沉降空间，减少可燃气中的颗粒物；还能使氧化层产生的二氧化碳与还原段的碳层反应生成所需要的一氧化碳，通过控制套筒端部与炉篦之间为上述距离范围可以使二氧化碳和碳层具有合理的反应接触时间。
进一步地，环形空腔19的最大厚度与反应区炉体内径的比值可以为(0.1～0.3)：1，发明人发现，若环形空腔的厚度过大，会降低炉内的反应空间，导致气化炉处理能力显著降低，而若环形空腔的厚度过小，既不利于颗粒物的沉降，也不利于工作人员对套筒进行检修，而通过控制环形空腔为上述厚度范围，既能同时兼顾气化炉的处理能力与燃气中颗粒物的沉降效果，避免出现因气流量较大时灰渣上浮影响燃气品质的问题，还便于实现套筒的安装及检修。需要说明的是，套筒8包括直径上宽下窄的上部筒体和直径上下一致的下部筒体，环形空腔的最大厚度指的是套筒下部筒体对应的环形空腔的厚度。
进一步地，炉壁9的外侧为膜式水冷壁，膜式水冷壁可与上端炉体顶端通过法兰连接，膜式水冷壁可以为盘管式也可以为列管式；也可以为夹套水冷壁，由此既可以避免炉内高温向外界辐射，还避免炉内壁发生结渣现象，使炉体运行更稳定；另外，为避免水夹套的方式出现鼓包问题，膜式水冷壁可以优选为盘管式或列管式。
在本发明的实施例中，上述反应区炉体的内径的具体数值并不受特别限制，本领域人员可根据实际情况随意选择，作为一种优选的方案，所述反应区炉体的内径为0.3～8.0m。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述炉底气化剂进气口14与所述炉篦12的下部连通。炉底气化剂进气口通过位于下方管道与外部气源连接，炉篦上分布有布风口实现炉底进风的均匀布风。
根据本发明的实施例，参考附图1，所述煤气出气口10设在所述炉壁9的中部且位于所述环形空腔所在的区域内，所述煤气出气口10与所述环形空腔19连通。
根据本发明的实施例，参考附图2和3，所述排渣装置设置在水中且位于所述下段炉体9的下方，所述排渣装置包括灰盘13、碎渣圈20、炉篦支撑件22和第一灰刀21，所述灰盘13设置在所述炉篦12的下方，所述碎渣圈20呈环状与上部膜式壁焊接在一起且套设在所述灰盘13内，所述炉篦支撑件22设置在所述炉篦12的下方且位于所述碎渣圈20内，所述呈犁形第一灰刀21设置所述灰盘的内侧壁上。进一步地，参考附图2和3，所述排渣装置还包括第二灰刀23和破渣块24，所述第二灰刀23设置在所述炉篦支撑件22的底部，所述破渣块24设置在所述炉篦支撑件22的侧壁上，由此，更好地破碎灰渣。需要说明的是，所述第一灰刀指的是大灰刀，所述第二灰刀指的是小灰刀。具体地，灰渣由反应区炉体排出进入灰盘13中，灰盘13中的灰渣在碎渣圈20、炉篦支撑件22、第二灰刀23和破渣块24的共同的挤压破碎作用下同时伴随着炉篦支撑件22的旋转对灰渣进行破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。由此，灰盘与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患。
进一步地，参考附图1，所述气化炉还包括气化剂分布调节器15，所述气化剂分布调节器15可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口14的出口端，且位于所述炉篦12内，通过气化剂分布调节器15的上下移动来调节炉篦内气化剂分布，更好地适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气。
进一步地，参考附图1，所述气化炉还包括布料装置7，所述布料装置7设置在所述上段炉体内的上方。由此，布料装置7实现物料在干燥层的均匀布料。
与现有技术相比，本发明实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉具有的优点主要体现在：1)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口的设置，可实现气化剂多级供应，进而可通过精准稳定的多级氧化实现氧化层的稳定控制，使燃气中的焦油充分裂解，从而既提高了获得的可燃气的品质，又保证了炉渣较低的含碳量；2)可通过调节不同位置气化剂的供应量、中段气化剂进气口的位置来应对不同挥发份含量和固定碳含量的含碳有机固体的气化需求；3)炉篦气化剂分布调节器能够更好的适应炉底气化剂进气口小流量情况下的均匀布气；4)炉壁与套筒之间形成的环形空腔能够实现燃气内颗粒物的沉降，从而有效降低颗粒物含量，同时环形空腔区域具有较高热量，煤气出气口燃气温度较高，更适合进行二次燃烧；5)惰性气体吹扫进气口、进料缓冲仓的充卸压设计能够有效保证气化炉运行的安全性；6)上段顺流和下段逆流的气体流动方式能够避免传统逆流式气化炉顶部进料口燃气泄漏造成的环境污染；7)炉内为正压反应条件，较负压状态相比气化反应速率更快，气化炉处理量更大；8)采用灰盘液封湿法排渣的方式能够有效的控制炉内的正压状态，降低气化炉的安全隐患；9)采用膜式水冷壁用于炉体降温运行更稳定，不会出现水夹套的鼓包现象。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉进行气化的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体。
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层。
在该步骤中，通过鼓风机把气化剂输送进入炉内，使炉内变为正压状态，上述反应区炉体所述反应区炉体内的压力为0～20.0kPa(例如0.1kPa、1kPa、2kPa、4kPa、6kPa、8kPa、10kPa、12kPa、14kPa、18kPa、20kPa等)，进气口的气化剂压力为0-20kPa，所述压力为压力仪表测量得到的表压。由此，通过控制炉内维持正压状态，避免负压运行过程中的安全隐患，同时炉内为正压反应条件时，较负压状态相比气化反应速率更快，气化炉处理量更大。
进一步地，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧(氧气浓度21v％～100v％)中的至少之一，以便促使有机固废发生部分氧化实现自供热，同时尽可能地使有机组分断裂成不可凝小分子气体，得到可燃气。
进一步地，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3，例如0、0.1kg/Nm3、0.5kg/Nm3、1.0kg/Nm3、2.0kg/Nm3、3.0kg/Nm3、4.0kg/Nm3、5.0kg/Nm3、6.0kg/Nm3、7.0kg/Nm3、8.0kg/Nm3等。发明人发现，当气化剂采用水蒸气和富氧的混合气时，通过控制水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比在上述范围，可以使不同灰熔点的物料气化温度维持在灰渣的软化点温度以下，防止灰渣结渣影响气化炉正常运行。优选地，水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比设置为1.0～6.0kg/Nm3。如果水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比过大，则可能使气化反应温度降低，造成煤气中有效组分一氧化碳和氢气等组分含量降低，煤气热值降低。如果水蒸气的质量与富氧中氧气的体积之比过小，则可能使气化反应温度升高使氧化层温度高于灰渣的软化点温度，使灰渣结渣气化炉不能正常运行。
进一步地，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃，例如40℃、50℃、60℃、70℃等。发明人发现，当气化剂采用水蒸气和空气的混合气时，通过控制气化剂的温度在上述范围，可以使空气带入适量的水蒸汽进入气化炉的氧化还原层发生碳与水蒸汽的水煤气反应，生成一氧化碳和氢气。如果气化剂的温度过低，则可能带入的水蒸汽量较少，使氧化层温度过高，若高于灰渣的软化点温度，会造成严重的结渣现象，影响气化炉正常运行；如果气化剂的温度过高，则可能带入的水蒸汽量过多，反应温度过低，导致煤气品质降低。
进一步地，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3，例如0.10kg/Nm3、0.5kg/Nm3、1.0kg/Nm3、2.0kg/Nm3、3.0kg/Nm3、5.0kg/Nm3、8.0kg/Nm3、10.0kg/Nm3、12.0kg/Nm3、15.0kg/Nm3、16.0kg/Nm3、18.0kg/Nm3、19.5.0kg/Nm3等，由此，可以使二氧化碳和碳发生还原反应生成一氧化碳，并吸收反应层热量，使反应层温度维持在合理范围内，保持煤气品质及灰渣不结渣。优选地，二氧化碳的质量与富氧中氧气的体积之比设置为1.0～15.0kg/Nm3。发明人发现，如果二氧化碳的质量与富氧中氧气的体积之比过大，则可能导致反应层温度降低过大，从而导致煤气品质较差。
进一步地，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％(例如30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％等)，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％(例如70％、80％、90％等)，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％(例如10％、20％、30％等)；所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％(例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％等)，由此，通过控制气化炉各进气口的进气量在上述范围内，可以使上氧化层中产生焦油的挥发分直接被气化剂中的氧气氧化成煤气，避免焦油的产生，同时下氧化层中的碳被气化剂中的氧气氧化生成煤气。
进一步地，所述干燥层的温度为20～200℃(例如20℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、180℃、200℃等)，所述干馏层的温度为200～600℃(例如200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃等)，所述上氧化层的温度为600～1200℃(例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃等)，所述还原层的温度为600～1100℃(例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃等)，所述下氧化层的温度为600～1100℃(例如600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃等)，所述灰渣层的温度为200～600℃(例如200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、600℃)等。由此，通过控制气化炉中各反应区域的温度在上述范围，可以使氧化层反应层维持合理的反应温度，保证煤气品质，同时使灰渣反应温度低于软化点，不发生结渣。
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，使所述可燃气通过套筒与炉壁之间的环形空腔排出所述反应区炉体。
(4)将所述灰渣排至灰盘内，通过炉篦支撑件与碎渣圈的挤压以及炉篦支撑件旋转将所述灰渣破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。
由此，该有机固废气化方法可应用于生活垃圾、医疗废物、有机危险废物、工业有机固废、生物质、煤等含碳有机固体的气化处理，解决了煤气与料层反方向移动的逆流式气化装置焦油含量多、进料口煤气泄漏的问题，同时解决了煤气与料层同方向移动的顺流式气化装置固相灰渣中含碳量高的问题。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉的结构如图1-3所示，在图1-3中：1-进料口，2-进料缓冲仓上阀，3-进料缓冲仓，4-进料缓冲仓下阀，5-进料缓冲仓充泄压口，6-炉顶气化剂进气口，7-布料装置，8-套筒，9-炉壁(气化炉体)，10-煤气出气口，11-膜式水冷壁，12-炉篦，13-灰盘，14-炉底气化剂进气口，15-炉篦气化剂分布调节器，16-中段气化剂进气口，17-惰性气体吹扫进气口，18-炉腔，19-环形空腔,20-碎渣圈，21-第一灰刀，22-炉篦支撑件，23-第二灰刀，24-破渣块。
(1)进料
本实施例的有机固废气化炉为进料装置、气化装置和排渣装置三部分构成。进料装置由进料口1、进料缓冲仓上阀2、进料缓冲仓3、进料缓冲仓下阀4和进料缓冲仓充泄压口5构成。进料口1位于气化炉最顶端，与进料缓冲仓3之间安装有进料缓冲仓上阀2，并通过法兰连接。进料缓冲仓3和气化炉体9之间安装有进料缓冲仓下阀4，并通过法兰连接，进料缓冲仓3侧边设有水平布置的进料缓冲仓充泄压口5。物料从进料口1进入气化炉，此时炉内存在一定压力，进料缓冲仓下阀4保持密闭状态，打开进料缓冲仓上阀2使进料口中的物料进入到进料缓冲仓3中，进料缓冲仓3处于常压状态，待进料缓冲仓3中加入物料后关闭进料缓冲仓上阀2，实现进料缓冲仓3的密封，此时通过进料缓冲仓充泄压口5进行充压，使进料缓冲仓3中压力与反应炉内压力一致，通过进料缓冲仓下阀4下部的惰性吹扫进气口17通入氮气、水蒸气或二氧化碳，使进料缓冲仓下阀4下部气氛为不可燃气体，打开进料缓冲仓下阀4，使进料缓冲仓3内物料在重力作用下进入气化炉体后进行气化。进料缓冲仓3内物料完全进入气化炉体后关闭进料缓冲仓下阀4，通过进料缓冲仓充泄压口5进行泄压，达到常压状态，打开进料缓冲仓上阀2开启新一轮进料。
(2)气化剂进气口
炉体内设有三处气化剂进气口，一是炉顶气化剂进气口6，位于惰性气体吹扫进气口5下方气化炉体22的顶部，环形均匀设置有多个，通过对称布置实现顶部均匀布气。二是中段气化剂进气口16水平布置于炉体中段偏上区域，沿周向水平布置。三为炉底气化剂进气口14，该进气口与底部炉篦12连通，通过炉篦12的布气口实现底部均匀布气，炉篦12内部布置有炉篦气化剂分布调节器21。炉体顶部和炉篦12上下形成的进气口均匀布气能够确保物料在气化反应区内形成均匀稳定的反应层，避免出现不均匀反应的现象。中段气化剂进气口16用于控制上氧化层位置，避免出现上氧化层过高或者过低问题，当气化原料热值较低或固定碳含量较低时，炉底气化剂进气口14的气化剂供入量需求量较少，通过降低调节炉篦气化剂分布调节器21的高度，实现小流量的均匀布气。三个气化剂进气口通入的气化剂为空气+水蒸气。
(3)气化过程
本实施例的有机固废气化炉的气化炉体为主要气化反应区域，中段安装有套筒8，自上而下可以分为干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层、灰渣层。干燥层、干馏层位于套筒8上部，上氧化层位于套筒8上部，套筒位于还原层区域内，套筒8下端为上还原层和下还原层的交界，下氧化层、灰渣层位于套筒8下部。物料从进料缓冲仓3进入炉腔内，由布料装置7实现物料在干燥层的均匀布料，干燥层温度在20～200℃范围内，物料中的水分受热蒸发进入到气相，经过干燥的物料进入干馏层释放挥发分，生成焦油和焦炭，干馏层的温度在200～600℃范围。焦油和焦炭进入到上氧化层内，焦油和焦炭与气化剂中的氧气发生氧化反应释放热量使上氧化层温度能达到600～1200℃，同时部分焦油也在高温区发生裂解，焦炭由于气固接触较不充分仅部分发生氧化反应，以焦炭为主的物料重力作用下进入到还原层，上氧化层氧化生成的二氧化碳、水与还原层的焦炭发生气化反应，从而提高产气品质。还原层未反应完的焦炭进入到下氧化层与炉底气化剂进气口14通入的气化剂发生进一步氧化反应释放热量。还原层的热量来源于上氧化层和下氧化层的热辐射，温度范围在600～1100℃之间，下氧化层的温度范围在600～1100℃内。焦炭在下氧化层发生完全氧化反应后变为炉渣进入炉篦12上方的灰渣层，灰渣层温度范围在200～600℃内。炉底气化剂进气口通入的气化剂经由炉篦补气孔进入灰渣层与灰渣进行换热实现气化剂的加热以及灰渣的冷却。
(4)排渣
炉篦12位于灰盘13上方固定，可以通过电机带动旋转，灰盘13与碎渣圈共同组成灰盘水封，由于炉内存在一定压力，把灰盘13内的水挤压到一定高度实现有压液封，当炉内压力过大时气体会从水中冒出从而安全泄压，避免炉内压强过大产生爆炸的安全隐患。固定不动的大刀焊接在灰盘的侧壁上，下端插入灰盘水中，灰盘13中的灰渣在碎渣圈20和炉篦支撑件22的挤压作用下同时伴随着炉篦支撑件22的旋转对灰渣进行破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。
(5)煤气出气口
炉体中段上氧化层下方和还原层中上部安置有套筒8，套筒8为耐热钢，套筒8与炉体形成夹层，填充物料开始反应后该区域会形成环形空腔19，环形空腔区域有水平布置的煤气出气口10，水平布置，能够有效实现均匀出气，环形空腔能够减少燃气中的颗粒物。夹层空腔下方的物料起到过滤作用，减少燃气中的颗粒物。同时环形空腔受上氧化层和还原层辐射具有较高温度，使空腔内的温度在400～1000℃范围内，携带有焦油的燃气经过了上氧化层、还原层以及套筒8外夹层空腔，确保焦油能够在高温下充分裂解气化，最终由煤气出气口10得到低焦油、低颗粒物、高热值的可燃气。
以下为具体的气化炉运行实施案例：
该气化炉的炉内径为3.2m，处理物料为污泥，处理量为2800kg/h。主要操作条件及气化结果如下：
(1)物料工业分析如下表所示
(2)操作条件：
气化压力：1000Pa；
气化剂：空气+水蒸气；
空气量：2500Nm3/h；
水蒸气量：160kg/h。
(3)气化结果：
产气量：3300Nm3/h；
燃气组成：H2：11.88％，CO：14.10％，CH4：1.30％，CO2：12.90％，N2：59.20％，O2：0.50％，CnHm：0.12％；
气化效率：63％；
灰渣含碳量：3.3％；
燃气焦油含量：<1g/Nm3。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，包括：
进料装置；
反应区炉体，所述反应区炉体设在所述进料装置下方，所述反应区炉体包括炉壁和炉腔，所述炉腔上段设有布料装置、中段设有套筒、底部设有炉篦，所述套筒与所述炉壁之间形成有环形空腔，所述套筒上部为上宽下窄结构且所述套筒的上端止抵于所述炉壁；
炉顶气化剂进气口，所述炉顶气化剂进气口设在所述炉壁的上部和/或顶部上，所述炉顶气化剂进气口延伸至所述炉腔内；
中段气化剂进气口，所述中段气化剂进气口设在所述炉壁的中部且高于所述套筒所在区域布置，所述中段气化剂进气口延伸至所述炉腔内；
炉底气化剂进气口，所述炉底气化剂进气口设在所述炉壁的下部且位于所述炉篦的下方，所述炉底气化剂进气口延伸至所述炉腔内并与所述炉篦的下部连通；
煤气出气口，所述煤气出气口设在所述炉壁的中部且位于所述环形空腔所在的区域内，所述煤气出气口与所述环形空腔连通；
排渣装置，所述排渣装置设置在水中且位于所述反应区炉体的下方，所述排渣装置包括灰盘、碎渣圈、炉篦支撑件和第一灰刀，所述灰盘设置在所述炉篦的下方，所述碎渣圈呈环状且套设在所述灰盘内，所述炉篦支撑件设置在所述炉篦的下方且位于所述碎渣圈内，所述第一灰刀设置所述灰盘的内侧壁上。
2.根据权利要求1所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，所述排渣装置还包括第二灰刀和破渣块，所述第二灰刀设置在所述炉篦支撑件的底部，所述破渣块设置在所述炉篦支撑件的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，还包括气化剂分布调节器，所述气化剂分布调节器可上下移动地设置在所述炉底气化剂进气口的出口端，且位于所述炉篦内；
任选地，所述炉壁外侧为膜式水冷壁或夹套水冷壁；
任选地，所述膜式水冷壁为列管式膜式水冷壁或盘管式膜式水冷壁。
4.根据权利要求1所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，所述炉顶气化剂进气口为多个，多个所述炉顶气化剂进气口在所述炉壁的上部和/或所述炉壁的顶部上均匀布置；
任选地，所述中段气化剂进气口为多个，多个所述中段气化剂进气口沿所述炉壁的周向均匀水平布置；
任选地，所述煤气出气口为多个，多个所述煤气出气口沿所述炉壁的周向均匀水平布置。
5.根据权利要求1所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，所述进料装置包括自上至下依次设置的进料口、进料缓冲仓上阀、进料缓冲仓、进料缓冲仓下阀、惰性气体吹扫进气口，所述进料缓冲仓的侧部设有进料缓冲仓充泄压口。
6.根据权利要求5所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉，其特征在于，所述套筒的高度与所述反应区炉体内径的比值为(0.2～0.6)：1；
任选地，所述环形空腔的最大厚度与所述反应区炉体内径的比值为(0.1～0.3)：1；
任选地，所述套筒上端距离所述进料缓冲仓下阀的高度为所述反应区炉体总高度的比值为(0.4～0.8)：1；
任选地，所述套筒下端距离所述炉篦顶部的高度为所述反应区炉体高度的比值为(0.2～0.6)：1；
任选地，所述反应区炉体的内径为0.3～8m。
7.一种采用权利要求1～6任一项所述的有机固废套筒式导气湿式排灰固定床气化炉进行气化的方法，其特征在于，包括：
(1)通过进料装置向反应区炉体供给有机固废，通过惰性气体吹扫进气口向进料装置下方吹扫惰性保护气体；
(2)通过炉顶气化剂进气口、中段气化剂进气口和炉底气化剂进气口向所述反应区炉体供给气化剂，所述反应区炉体包括自上至下依次设置的干燥层、干馏层、上氧化层、还原层、下氧化层和灰渣层；
(3)使所述有机固废发生气化反应，得到可燃气和灰渣，使所述可燃气通过套筒与炉壁之间的环形空腔排出所述反应区炉体；
(4)将所述灰渣排至灰盘内，通过炉篦支撑件与碎渣圈的挤压以及炉篦支撑件旋转将所述灰渣破碎，破碎的灰渣沿着第一灰刀的方向排出所述灰盘。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述反应区炉体内的压力为0～20.0kPa；
任选地，所述气化剂包括水蒸气、二氧化碳、空气、富氧中的至少之一；
任选地，所述气化剂为水蒸气和富氧的混合气，所述水蒸气的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～8.0kg/Nm3；
任选地，所述气化剂为水蒸气和空气的混合气，所述气化剂的温度为40～70℃；
任选地，所述气化剂为二氧化碳和富氧的混合气，所述二氧化碳的质量与所述富氧中氧气的体积之比为0～19.5kg/Nm3。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的30％～90％，其中，所述炉顶气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的70％～90％，所述中段气化剂进气口的进气量为所述炉顶气化剂进气口和所述中段气化剂进气口总进气量的10％～30％；所述炉底气化剂进气口的进气量为所述气化剂总进气量的10％～70％。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述干燥层的温度为20～200℃，所述干馏层的温度为200～600℃，所述上氧化层的温度为600～1200℃，所述还原层的温度为600～1100℃，所述下氧化层的温度为600～1100℃，所述灰渣层的温度为200～600℃。
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